高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能.pdf
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1、?第 29卷?第 9期2010年 9月中国材料进展MATERI ALS CH INAVol?29?No?9Sep?2010收稿日期:2009-12-10基金项目:国家自然科学基金(50872127);教育部回国人员科研启动基金(2008)通信作者:杨英姿,女,1967年生,博士,教授高性能 PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能杨英姿,姚?燕(中国建筑材料科学研究总院,北京 100024)摘?要:为了获得高性能 PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法,研究了砂的颗粒级配、水胶比和粉煤灰掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(Eng ineered CementitiousComposites,ECC
2、)的弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。结果表明:随着砂的细度模数降低,ECC的跨中挠度增大,早期强度提高,但后期强度变化不明显。随着水胶比的增大,ECC的初始开裂荷载降低,跨中挠度增大,平均裂缝宽度增加。0?25水胶比的 ECC的抗压强度可以满足高强度等级的要求。0?35水胶比的抗压强度可以满足对普通强度等级的要求。随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,平均裂缝宽度变小。在水胶比一定的条件下,采用细砂,适当增加粉煤灰掺量有助于提高 ECC的韧性和延性。关键词:高延性纤维增强水泥基复合材料;荷载-挠度曲线;多缝开裂中图分类号:TU5
3、28?文献标识码:A?文章编号:1674-3962(2010)09-0019-06Preparation and Properties ofH igh Perfor mancePVA Fiber Reinforced Ce mentitiousM aterialsYANG Y ingz,iYAO Yan(China BuildingM aterialsAcademy,Beijing 100024,China)Abstrac:tIn order to obtain the preparation method of high perfor mance PVA fiber reinforced c
4、ementitiousmaterial(al?so called Engineered Cementitious Composites,ECC),the effects of gradation of sand,water?binder ratio(W/B)andcontent of fly ash on the bending properties,co mpressive strength,flexural strength and cracking pattern ofECC were in?vestigated in this paper.The results showed that
5、w ith the finenessmodulus of sand decreased,ECC?sm id?span deflectionincreased,the early strength increased but the strength in the long ter m did not change significantly.As thewater?binderratio ofECC increased,the initial cracking load ofECC lowered,deflection atm id?span and the average crack wid
6、th in?creased.The co mpressive strength of ECC w ith W/B of 0?25 could meet the require ments of high?strength concretegrades.The co mpressive strength of ECC withW/B of 0?35 could meet the requirements of ordinary strength concretegrades.W ith the fly ash content ofECC increased,the initial crackin
7、g load ofECC lowered,the flexural and co mpres?sive strength gradually decreased,the deflection of ECC enhanced,as well as the average crack w idth beca me smaller.As theW/B ofECC is fixed,using finer sand and increasing fly ash content appropriatelyw illhelp to further i mprove thetoughness and duc
8、tility ofECC.Key words:engineered ce mentitious composites;load?deflection curve;multiple cracking?混凝土是应用于土木工程领域最大宗的人造建筑材料,然而存在着脆性大、易开裂、抗拉强度低、极限延伸率小及抗冲击性能差等弊端,利用各种纤维改善上述弊端的纤维增强水泥基复合材料日益受到关注 1。ECC(Engineered Cementitious Composites)材料是一种高延性的纤维增强水泥基复合材料,是基于微观力学原理优化设计的具有伪应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型土木工程材料。其中聚乙烯醇
9、纤维(PVA)体积掺量通常在 2%左右,ECC的拉应变在 2%5%,是普通混凝土的几百倍,抗压强度在配合比合适的情况下可高达 7080MPa。ECC材料的高拉应变能力是基于它在受拉过程中能够形成?稳定状态开裂 。?稳定状态开裂 是指当拉应变超过 1%时,ECC 中的裂缝宽度会稳定在 60?m左右,随着拉应变的提高,裂缝宽度不发生改变而微裂缝的数目不断增加。因此,该材料具有高延性、高韧性、高承载力、耐久性和可持续性等典型特征,具有良好的耗能减震特性 2-3。为了获得 PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法和基本性能,研究了砂的细度模数、水胶比及粉煤灰掺量对 ECC弯曲性能、抗压、抗中国材料进展第
10、 29卷折强度及开裂模式的影响。1?实?验1?1?原材料及配合比实验采用亚泰哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌 P!O42?5普通硅酸盐水泥。粉煤灰是哈尔滨第三电厂 I级粉煤灰,密度为 2?43 g/c m3,比表面积为 655 m2/kg。平均粒径 3?4?m,需水量比 95?0%。细度模数为 1?0的细集料选自哈尔滨晶华材料有限公司生产的细石英砂。减水剂用德国巴斯夫集团生产的高效减水剂。实验用的PVA纤维采用日本 KurarayCo.产的 K-可乐丽纤维,主要性能指标见表 1。表 1?PVA纤维的性能参数Table 1?Characteristics of PVA fi berClass offib
11、reF ibreleng th/mmA spectratioE lasticitymodulus/GPaElongation/%Tensilestreng th/MPaDensity/g!cm-3PVA82004271 6001?3实验采用三种细度模数的砂、三种水胶比(W/B)、四种粉煤灰掺量。砂的细度模数分别为 2?97,2?01及1?0;水胶比为 0?25,0?30及 0?35;粉煤灰取代水泥的比例为 50%,60%,70%和 80%。考察了上述实验因素对 ECC弯曲性能、抗压、抗折强度的影响,并对其开裂模式进行了观察分析。目的是通过上述实验研究获得高性能 PVA纤维增强水泥基复合材料的制
12、备方法及影响因素。具体 ECC的配合比见表 2。表 2?ECC的配合比(kg!m-3)Table 2?M ix proportion o fECC(kg!m-3)NO.Cement F lyash Sand W/BSuperplasticizerFibreECC?S1(2?97)5786944620?2515?326ECC?S2(2?01)5786944620?2516?526ECC?S3(1?0)5786944620?2525?4260?25ECC5786944620?2515?8260?30ECC5786944620?3010?18260?35ECC5786944620?358?52650
13、%FA#ECC6366364620?2515?72660%FA#ECC508?8 763?24620?2513?182670%FA#ECC381?6 890?44620?2512?52680%FA#ECC254?4 1 017?6 4620?2512?5261?2?ECC的制备将水泥、粉煤灰、砂称量好后,倒入搅拌机中搅拌2 m in,使各原料充分搅拌均匀。先加水,然后加减水剂调节水泥砂浆的流动度。搅拌 4 m in后,将水泥砂浆装入测量水泥砂浆流动度的圆台形试模,迅速提起试模,当水泥砂浆的流动度达到 350 mm 时,可认定其满足水泥砂浆工作性的要求。再加入 PVA纤维,搅拌 510 m in
14、左右,搅拌的终止时间以纤维浆体不成团、结块为判断依据,保证纤维的充分分散,这是 ECC制备的关键。而且搅拌的时间要适中,时间太短了可能纤维不分散,时间太长纤维的分散性反而不好。再次利用检测砂浆流动度试模评价拌合物的工作性,拌合物的直径控制在 180 mm 10mm。随后将拌合物装入试模成型,并置于室内,24 h后拆模进入标准养护室,每种配合比有4个试件。1?3?四点弯曲试验采用威海市试验机制造有限公司生产的电子万能试验机。四点弯曲的试验如图 1所示,数据自动采集,荷载 P由荷载传感器测定,荷载#挠度曲线由计算机记录。试件尺寸为 320 mm%40 mm%12 mm,获得荷载#位移曲线后,可进一
15、步分析初始开裂荷载、峰值荷载、挠度、断裂韧性指数等。采用位移控制加载,加载速率为 1 mm/m in。抗折强度及抗压强度试验的试件尺寸为40 mm%40 mm%16 0mm。图 1?四点弯曲试验示意图F ig?1?Schematic diagram of four?point bending test2?结果与讨论2?1?砂的细度模数对 ECC材料性能的影响从表 2的配合比数据可以看出,达到相同的流动度时,随着砂的细度模数变小,高效减水剂的用量明显增加,这是因为在搅拌过程中细集料之间存在相互作用,需要足够的水泥浆包裹细集料形成一定的粘结强度和提供润滑层满足工作性的要求。砂的细度增加,需要更多的
16、水润湿和更多的水泥浆包裹砂粒,当用水量保持不变的情况下,减水剂用量就需要提高。如图 2所示,当砂的细度模数由 2?97降到 1?0时,3 d和 28 d时,ECC试件的跨中挠度均由 11 13mm提高到 23 25mm,可见细砂有助于提高 ECC的延性。另外,当砂的细度模数为 2?97,2?01和 1?0时,28 d时 ECC的峰值荷载分别为 278 N,315 N和 379 N,可见细砂在一定程度上提高了基体的强度。同时还可以看出:28 d时用细砂配制的20?第 9期杨英姿等:高性能 PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能ECC的四点弯曲曲线中,荷载的变化幅度较为平稳,小于用粗砂配制的 ECC
17、试件,这表明细砂使 ECC基体每一受力断裂截面变得更加均匀,减小了某些截面因局部缺陷导致的应力集中,细砂使基体材料更均匀的特性提高了 ECC材料的延性和韧性。图 2?砂的细度模数对 ECC荷载#挠度曲线的影响F ig?2?Effect of fineness modulus of sand on load?deflectioncurve of ECC,for3 d(a)and 28 d(b)如图 3所示,龄期为 3 d和 28 d时,由细度模数造成的 ECC抗压与抗折强度的差异是明显的。随着龄期延长至 90 d时,不同细度模数砂的 ECC抗压与抗折强度比较接近,且 ECC 抗压强度都能够满足
18、C60混凝土强度等级的要求。也就是说上述配合比制备的 ECC属于高强混凝土范畴,且砂的细度模数对 ECC后期强度影响不显著。2?2?水胶比对 ECC材料性能的影响从图 4可以看出,ECC材料的抗压强度随水胶比增大而降低,当水胶比由 0?25提高到 0?35时,28 d抗压强度由 62MPa降低到 35MPa。对于 ECC材料,7 d抗压强度约为 28 d抗压强度的 50%60%。另外,随水胶比的增加,ECC的抗折强度降低,三种水胶比的 ECC的 28 d抗折强度均大于 10MPa。水胶比不仅决定了水泥基复合材料的基体强度,还会对材料的韧性有重要的影响。图 5表明,随着水胶比图 3?砂的细度模数
19、对 ECC抗压强度与抗折强度的影响Fig?3?Effect of fineness modulus of sand on compressive strength(a)and flexural strength(b)of ECC图 4?水胶比对 ECC抗压强度及抗折强度的影响Fig?4?Effect of water?binder ratio on compressivestrength and flexural strength ofECC的增加,水泥基复合材料的初始开裂荷载降低,这是因为水胶比的增大,降低了基体的强度,而且在开裂之前,纤维本身不参与工作,只有基体受力,从而初始开裂荷载反映了
20、基体的强度变化。而且随着龄期的延长,同一配比 ECC的初始开裂荷载也大幅增长,如 7 d时0?35水胶比 ECC的初始开裂荷载约为 30 N,28 d时该值上升到 75 N左右,说明随着水泥水化硬化的不断进行,基体强度不断增长。由于 ECC是伪应变硬化材料,其峰值荷载随水胶比、龄期的变化规律与初始开裂荷载的相同。21中国材料进展第 29卷图 5?水胶比对 ECC荷载#挠度曲线的影响F ig?5?E ffect of water?binder ratio on load?deflectioncurve of ECC,for 7 d(a)and 28 d(b)由图 5可见,0?25水胶比 ECC的
21、 7 d,28 d跨中挠度分别为 12?5 mm 和 10?5 mm,0?35 水胶比 ECC 的7 d、28 d跨中挠度分别为 28 mm 和 18 mm。跨中挠度随水胶比的增大而增加,随着养护龄期的延长而降低。对于低水胶比 ECC跨中挠度随龄期的降低趋势不如高水胶比的显著。高水胶比 7 d跨中挠度达到最大值28 mm,说明此时 ECC中的基体与 PVA纤维达到比较理想的匹配,即能够很好满足材料发生多重开裂的条件。在受弯过程中伴随着大量微裂缝的开展实现了 ECC材料的伪应变硬化,从而使水泥基复合材料获得了高的断裂韧性。但是 0?35水胶比的基体强度较低(接近 C30混凝土强度),由于纤维价格
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